CN104797361A - 铝多孔体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种铝多孔体及其制造方法，能够通过连续的制造工序来制造出具有高气孔率的铝多孔体。在本发明中，该铝多孔体由多根铝纤维(1)被连结而成，并且每个铝纤维(1)上隔开间隔而形成有从该铝纤维(1)的外周面向外侧突出的多根柱状突起(2)，相邻的铝纤维(1)通过该铝纤维(1)和柱状突起(2)而被一体化。

Description

铝多孔体及其制造方法
技术领域
本发明涉及由多根铝纤维构成的铝多孔体及其制造方法。
背景技术
由铝构成的多孔体多被提议作为例如双电层电容器或锂离子电池的电极集电体、燃料电池的氢回收用过滤器、或者热交换用热导管的冷却剂通道或斯特林发动机机构的再生器。
以往，作为这样的铝多孔体，已知有对铝箔进行成形而得到的铝多孔体，以及如在下述专利文献1中可见到的具有将铝粉末烧结而成的骨架的铝多孔体。
然而，在这些通过铝箔或铝粉末来形成多孔体的情况下，存在难以获得高气孔率的多孔体的问题。另一方面，在上述电容器或锂离子电池中，电极集电体的开口气孔率越高，越能够获得优异的特性，并且同样地，即使作为热交换器的冷却剂通道，也是多孔体的开口气孔率越高，越能够提高热交换效率，因而要求对上述的铝多孔体的形成方法进行改进。
因此，本发明人在下述专利文献2中提出了如下方法：使用将铝粉末与含有钛等的烧结助剂粉末混合而成的混合原料粉末成形为粘性组合物进而使其发泡之后，在非氧化性气氛下进行加热烧结，由此制造出具有三维网眼状骨架结构的铝多孔体。根据该制造方法，能够获得具有70～90％这样的高气孔率的铝多孔体。
但是，由于在上述铝多孔体的制造方法中，特别是在使粘性组合物发泡的工序中，需要规定的保持时间，因此成为所谓的分批处理，存在难以作为整体进行连续且高效的制造的问题。
专利文献1：日本专利公开2009-256788号公报
专利文献2：日本专利公开2010-280951号公报
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其课题在于铝多孔体及其制造方法，提供一种能够通过连续且高效的制造工序来制造出具有高气孔率的铝多孔体。
为了解决上述课题，方案1所述的铝多孔体是由多个铝纤维烧结而成的铝多孔体，其特征在于，每个上述铝纤维具有从该铝纤维的外周面向外侧突出的多根柱状突起，上述铝多孔体通过上述铝纤维和上述柱状突起而被一体化。
此外，方案2所述的发明的特征在于，在方案1所述的发明中，上述柱状突起在其前端部含有由钛和铝构成的化合物。
接着，方案3所述的铝多孔体的制造方法的特征在于，在铝纤维的外周面固着钛粉和/或氢化钛粉，并在惰性气体气氛下以655℃～665℃范围的温度进行烧结。
此外，方案4所述的发明的特征在于，在方案3所述的发明中，上述钛粉和/或氢化钛粉，其粒径为1～50μm，并且以重量比计相对于上述铝纤维100添加0.5～20的量。
进而，方案5所述的发明的特征在于，在方案3或4所述的发明中，预先在上述铝纤维中添加上述钛粉和/或氢化钛粉并进行混合之后，将该混合物以规定形状散布在碳衬板上或碳容器内，然后进行上述烧结。
根据方案1或2所述的铝多孔体以及方案3～5中的任意一项所述的铝多孔体的制造方法，能够连续且比较廉价地制造出气孔率为70％以上的铝多孔体。
附图说明
图1是示出本发明的铝多孔体的一实施例的示意图。
图2是示出作为图1的铝多孔体的原料的铝纤维的示意图。
图3是示出在图2的铝纤维的外周面附着有钛或氢化钛粉末的状态的示意图。
图4是示出在图3的铝纤维的外周面形成有柱状突起的状态的示意图。
图5A是示出本发明的铝多孔体的第二实施方式的外观图。
图5B是示出本发明的铝多孔体的第二实施方式的外观图。
图5C是示出本发明的铝多孔体的第二实施方式的外观图。
图6是根据本发明的实施例制备出的铝多孔体的显微镜照片。
图7是对图6的铝纤维部分进行放大后的照片。
图8是同样对图6的另一铝纤维部分进行放大后的照片。
图9是同样对图6的另一铝纤维部分进行放大后的照片。
具体实施方式
(第一实施方式)
图1～图4为示出本发明的铝多孔体的第一实施方式的图。
该铝多孔体是多个铝纤维1被相互连结而一体化并且成形为板状的铝多孔体。其中，每个铝纤维1的平均线径为40～300μm(优选50～100μm)，且长度为0.2～20mm(优选1～10mm)。
其中，每个铝纤维1在其外周面形成有从该外周面向外侧突出的多根柱状突起2。这些柱状突起2相互隔开间隔形成于该铝纤维的每100μm长度的5～100处。而且，每个柱状突起2与铝纤维1相比直径更小，并且从上述外周面向外侧突出的长度被形成为1～500μm。
进而，对于各柱状突起2，至少其前端部分通过比铝纤维1自身熔点更高的由钛和铝构成的化合物形成。
而且，该铝多孔体通过铝纤维1自身与相邻的上述铝纤维1的各柱状突起2彼此被相互接合并一体化来构成。
下面，对由上述结构构成的铝多孔体的制造方法进行说明。
首先，在常温下，向平均线径为40～300μm(优选50～200μm)且长度为0.2～20mm(优选1～10mm)的多根铝纤维1中添加平均粒径为1～50μm(优选5～30μm)的钛粉或氢化钛粉或者这两者的混合粉末(以下统称为钛粉3)并进行混合，由此得到预混合纤维(原料预混合工序)。
此时，钛粉3以重量比计相对于上述铝纤维100添加0.5～20的量。然后，使用自动乳钵、圆盘旋转造粒机、摆动混合机等混合装置，使铝纤维1和钛粉3流动的同时进行混合，由此如图3所示，在铝纤维1的外周面，使钛粉3以5～100μm的间隔均匀分散并固着。
接着，对上述预混合纤维进行有机粘合剂溶液的喷雾来进行混合，并在40℃以下进行干燥。作为在此使用的有机粘合剂，优选在大气中于500℃以下燃烧、分解及气化而不会残留碳的有机粘合剂。丙烯酸系树脂、纤维素系高分子体等适合作为这样的有机粘合剂。
此外，作为溶剂，可以使用水系、醇系、除醇之外的有机溶剂系。但是，当使用水系溶剂时，由于铝纤维1在水共存的状态下若超过50℃则会急剧氧化，因此优选如上所述在40℃以下进行干燥。
接着，将通过上述工序制备出的预混合纤维原料以规定的填充速度定量地供给到振动输送机。于是，预混合纤维在振动输送机上沿行进方向移动，同时在该振动输送机的宽度方向上扩展，厚度偏差被调整为±10％以下。接着，使振动输送机上的预混合纤维移载到在烧结炉的带式输送机上放置的碳衬板上。此时，由于烧结炉的带式输送机以一定速度移动，因此预混合纤维在碳衬板上以厚度偏差为±10％以下的大致均匀的厚度被连续地移动。
另外，通过使预混合纤维移到碳衬板上，能够在后面的烧结工序中防止铝纤维附着。顺便提及，所使用的碳衬板可以使用硬质的板状物或具有可挠性的片状物。
此外，优选地，预先将碳衬板上的预混合纤维原料的厚度设为比产品的厚度厚1～10％，优选厚2～5％，在经过后面的烧结工序之后，进行轧制而成形为上述产品的规定的厚度尺寸及体积密度。其中，体积密度的适当值根据产品的用途等而不同，例如当上述产品为双电层电容器或锂离子电池的电极集电体时，优选成形在0.2～0.6g/cm3的范围内。
接着，将碳衬板上的预混合纤维原料通过上述带式输送机移送到烧结炉内，首先在350～500℃的温度范围内保持0.5～5分钟以进行脱粘合剂处理之后，在氩气气氛下且在露点-50℃以下(优选-65℃以下)，在655～665℃的温度范围内保持0.5～60分钟(优选1～20分钟)以进行正式烧结(烧结工序)。由此，由多根铝纤维1被连结而成的铝多孔体被成形。
详细描述该烧结工序中的铝多孔体的生成过程，首先，在烧结工序前，铝纤维1处于被形成于其外周面的氧化物覆盖的状态。然后，在该烧结工序中，由于因被升温至655～665℃的温度范围而熔融的铝，内压升高。
另一方面，在上述烧结温度下，利用在铝纤维1的外周面固着的钛粉3，与该固着位置的铝氧化物进行反应，铝氧化膜破裂，从而使内部的熔融铝向外侧冒出。然后，通过冒出的铝与钛的反应，形成熔点更高的化合物，由此固化而形成如图4所示的柱状突起2，并且与相邻的铝纤维1的柱状突起2在熔融状态下发生一体化，或者相互被进行固相烧结，铝纤维1彼此被连结。由此，作为整体被成形为如图1所示的铝多孔体。其中，作为通过铝与钛的反应而生成的化合物，例如有Al3Ti等。
因此，根据由上述结构构成的铝多孔体的制造方法，能够连续且比较廉价地制造出气孔率为70％以上的铝多孔体。
另外，在上述第一实施方式中，仅使用铝纤维1而制造出了片状的烧结体，但也可以在铝纤维1中混合铝粉末。例如，作为铝粉末，可以采用平均粒径20～300μm。此外，关于铝粉末，相对于铝纤维与铝粉末的合计量，以质量比计，可以含有20～50质量％。
通过以上述方式适当混合铝粉末，从而能够调整铝多孔体的气孔率，或者提高该铝多孔体的机械强度。
(第二实施方式)
图5A～图5C为示出本发明所涉及的铝多孔体的第二实施方式的图。
该铝多孔体与第一实施方式所示的铝多孔体的不同之处在于，虽然与第一实施方式所示的铝多孔体同样是铝纤维1被相互连结并一体化而成，但其形状被成形为圆柱状、圆筒状、方形板状等的块状。
在此，对上述铝多孔体的制造方法进行说明，即使在该制造方法中，直到通过向平均线径为40～300μm(优选50～200μm)且长度为0.2～20mm(优选1～10mm)的多根铝纤维1中添加平均粒径为1～50μm(优选5～30μm)的钛粉或氢化钛粉或者这两者的混合粉末(以下统称为钛粉3)并进行混合从而得到预混合纤维的原料预混合工序为止，也与上述第一实施方式所示的制造方法相同。
但是，在该制造方法中，将通过上述工序制备出的预混合纤维原料以填充速度定量地供给到限定例如图5A～图5C所示的产品形状的碳模具(对于图5C，具有200mm×200mm的开口部，深度20mm)内进行容积填充。此时，在制造如图5A及图5B所示的具有孔部或贯通孔的铝多孔体的情况下，预先在碳模具内的规定位置配置用于形成上述孔部或贯通孔的型芯。
接着，将上述碳模具移送到烧结炉内，首先在350～500℃的温度范围内保持0.5～5分钟以进行脱粘合剂处理之后，在氩气气氛下且在露点-50℃以下(优选-65℃以下)，在655～665℃的温度范围内保持0.5～60分钟(优选1～20分钟)以进行正式烧结(烧结工序)。由此，由多根具有如图5A～图5C所示的形状的铝纤维1被连结而成的铝多孔体被成形。根据由上述结构构成的铝多孔体的制造方法，能够获得具有气孔率70％以上、气孔径300～600μm的铝多孔体。
实施例
根据第一实施方式所示的铝多孔体的制造方法，制备出铝多孔体。
首先，作为预混合纤维，使用了在平均线径50μm的铝纤维中添加5重量％的平均粒径10μm的氢化钛(TiH2)而成为预混合纤维之后对其进行纤维素系粘合剂的湿式混合及干燥而获得的产物。
然后，将其均匀地散布在碳衬板上，在体积填充的状态下获得约1mm的填充层。接着，将该碳衬板上的预混合纤维在氩气气氛中且在658℃、露点-65℃以下的条件下烧结10分钟而成为铝多孔体。
图6～图9是用显微镜观察以上述方式制备出的铝多孔体而拍摄的照片。
根据这些照片可以判明，所获得的铝多孔体以如下方式构成：在平均线径为50μm的多根铝纤维的外周面，隔开间隔而形成有从该外周面向外侧突出的长度较短的多根柱状突起，相邻的铝纤维在彼此的柱状突起上被连结而一体化。
产业上的可利用性
本发明能够提供一种能够通过连续的制造工序来制造出具有高气孔率的铝多孔体的铝多孔体及其制造方法。
符号说明
1 铝纤维
2 柱状突起
3 钛粉

Claims (5)

1.一种铝多孔体，由多个铝纤维被烧结而成，其特征在于，
每个上述铝纤维具有从该铝纤维的外周面向外侧突出的多根柱状突起，上述铝多孔体通过上述铝纤维和上述柱状突起而被一体化。
2.根据权利要求1所述的铝多孔体，其特征在于，上述柱状突起在其前端部含有由钛和铝构成的化合物。
3.一种铝多孔体的制造方法，其特征在于，在铝纤维的外周面固着钛粉和/或氢化钛粉，并在惰性气体气氛下以655℃～665℃范围的温度进行烧结。
4.根据权利要求3所述的铝多孔体的制造方法，其特征在于，上述钛粉和/或氢化钛粉，其粒径为1～50μm，并且以重量比计相对于上述铝纤维100添加0.5～20的量。
5.根据权利要求3或4所述的铝多孔体的制造方法，其特征在于，预先在上述铝纤维中添加上述钛粉和/或氢化钛粉并进行混合之后，将该混合物以规定形状散布在碳衬板上或碳容器内，然后进行上述烧结。
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